Resistencia dieléctrica

En física, el término rigidez dieléctrica tiene los siguientes significados:

• para un material aislante eléctrico puro, el campo eléctrico máximo que el material puede soportar bajo condiciones ideales sin sufrir descomposición eléctrica y convertirse en eléctricamente conductivo (es decir, sin falla de sus propiedades aislantes).
• Para una pieza específica de material dieléctrico y localización de electrodos, el campo eléctrico mínimo aplicado (es decir, el voltaje aplicado dividido por distancia de separación del electrodo) que resulta en descomposición. Este es el concepto de voltaje de descomposición.

La rigidez dieléctrica teórica de un material es una propiedad intrínseca del material a granel y es independiente de la configuración del material o de los electrodos con los que se aplica el campo. Esta "rigidez dieléctrica intrínseca" corresponde a lo que se mediría utilizando materiales puros en condiciones ideales de laboratorio. En la ruptura, el campo eléctrico libera electrones ligados. Si el campo eléctrico aplicado es lo suficientemente alto, los electrones libres de la radiación de fondo pueden acelerarse a velocidades que pueden liberar electrones adicionales mediante colisiones con átomos o moléculas neutrales, en un proceso conocido como descomposición por avalancha. La ruptura ocurre de manera bastante abrupta (generalmente en nanosegundos), lo que da como resultado la formación de un camino conductor de electricidad y una descarga disruptiva a través del material. En un material sólido, un evento de ruptura degrada gravemente, o incluso destruye, su capacidad aislante.

Avería eléctrica

La corriente eléctrica es un flujo de partículas cargadas eléctricamente en un material causado por un campo eléctrico. Las partículas cargadas móviles responsables de la corriente eléctrica se denominan portadores de carga. En diferentes sustancias, diferentes partículas sirven como portadores de carga: en los metales y otros sólidos, algunos de los electrones externos de cada átomo (electrones de conducción) pueden moverse por el material; en electrolitos y plasma son iones, átomos o moléculas cargados eléctricamente y electrones. Una sustancia que tiene una alta concentración de portadores de carga disponibles para la conducción conducirá una gran corriente con el campo eléctrico dado creado por un voltaje dado aplicado a través de ella y, por lo tanto, tiene una resistividad eléctrica baja; esto se llama un conductor eléctrico. Un material que tiene pocos portadores de carga conducirá muy poca corriente con un campo eléctrico dado y tiene una alta resistividad; esto se llama un aislante eléctrico.

Sin embargo, cuando se aplica un campo eléctrico lo suficientemente grande a cualquier sustancia aislante, a cierta intensidad de campo, la concentración de portadores de carga en el material aumenta repentinamente en muchos órdenes de magnitud, por lo que su resistencia cae y se convierte en conductor. Esto se llama avería eléctrica. El mecanismo físico que causa la descomposición difiere en diferentes sustancias. En un sólido, generalmente ocurre cuando el campo eléctrico se vuelve lo suficientemente fuerte como para alejar los electrones de valencia externos de sus átomos, por lo que se vuelven móviles. La intensidad de campo a la que se produce la ruptura es una propiedad intrínseca del material denominada rigidez dieléctrica.

En los circuitos eléctricos prácticos, las averías eléctricas suelen ser un suceso no deseado, una falla del material aislante que provoca un cortocircuito y provoca una falla catastrófica del equipo. La caída repentina de la resistencia hace que fluya una alta corriente a través del material, y el repentino calentamiento extremo de Joule puede hacer que el material u otras partes del circuito se derritan o se vaporicen de forma explosiva. Sin embargo, la ruptura en sí es reversible. Si la corriente suministrada por el circuito externo es lo suficientemente limitada, no se daña el material y la reducción del voltaje aplicado provoca una transición de vuelta al estado aislante del material.

Factores que afectan la rigidez dieléctrica aparente

• Puede variar con espesor de muestra. (ver "defectos" abajo)
• Puede variar con temperatura de funcionamiento.
• Puede variar con frecuencia.
• Para los gases (por ejemplo, nitrógeno, hexafluoruro de azufre) normalmente disminuye con mayor humedad ya que los iones en el agua pueden proporcionar canales conductivos.
• Para gases aumenta con presión según la ley de Paschen
• Para el aire, la fuerza dieléctrica aumenta ligeramente a medida que aumenta la humedad absoluta pero disminuye con un aumento de humedad relativa

Dividir la intensidad del campo

La intensidad del campo a la que se produce la ruptura depende de las respectivas geometrías del dieléctrico (aislante) y de los electrodos con los que se aplica el campo eléctrico, así como de la tasa de aumento del campo eléctrico aplicado. Debido a que los materiales dieléctricos generalmente contienen defectos diminutos, la rigidez dieléctrica práctica será significativamente menor que la rigidez dieléctrica intrínseca de un material ideal, libre de defectos. Las películas dieléctricas tienden a exhibir una mayor resistencia dieléctrica que las muestras más gruesas del mismo material. Por ejemplo, la rigidez dieléctrica de las películas de dióxido de silicio con un espesor de alrededor de 1 μm es de aproximadamente 0,5 GV/m. Sin embargo, las capas muy delgadas (por debajo de, por ejemplo, 100 nm) se vuelven parcialmente conductoras debido al túnel de electrones. Se utilizan capas múltiples de películas dieléctricas delgadas donde se requiere la máxima fuerza dieléctrica práctica, como capacitores de alto voltaje y transformadores de pulso. Dado que la rigidez dieléctrica de los gases varía según la forma y configuración de los electrodos, generalmente se mide como una fracción de la rigidez dieléctrica del gas nitrógeno.

Rigidez dieléctrica (en MV/m, o 10⁶⋅volt/metro) de varios materiales comunes:

Unidades

En SI, la unidad de rigidez dieléctrica es voltios por metro (V/m). También es común ver unidades relacionadas como voltios por centímetro (V/cm), megavoltios por metro (MV/m), etc.

En las unidades habituales de los Estados Unidos, la rigidez dieléctrica se suele especificar en voltios por mil (una mil es 1/1000 de pulgada). la conversión es:

${displaystyle {begin{aligned}1{text{} V/m} {=2.54times 10^{-5}{text{ V/mil}1{text{ V/mil}=3.94times 10^{4}{text{ V/m}end{aligned}}$